D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.05.010 第20卷第5期 北京科技大学学报 Vol.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct,1998 喷射沉积18Ni(250)马氏体时效钢-(Al,O,)p 复合材料的组织与性能 张济山刘兴江崔华段先进陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用雾化喷射沉积成形技术制备了含10%（体积分数）Al,O,颗粒的18Ni(250)马氏体时效 钢金属基复合材料.沉积坯件具有高致密度、增强颗粒均匀分布，无界面反应等组织特征.同基体 合金相比，复合材料表现出加速时效行为，经热处理后复合材料的拉伸强度接近基体材料，耐磨 性明显提高.采用显微力学探针技术研究了复合材料的时效行为，发现在A1,O,颗粒附近存在陡 峭的弹性模量和硬度分布，是热错配应力造成的位错密度分布引起的析出相分布变化的结果. 关键词喷射沉积成形：钢基：复合材料 分类号TG349 金属基复合材料的制备技术主要包括液态搅拌、半固态铸造、压力铸造、浸渗、离心铸造、 粉末冶金和原位反应等方法均存在基体与增强相之间的界面相容性问题.如液相制备过程， 由于增强相与液态基体在高温下长时间接触，容易发生界面反应，形成脆性反应产物，降低复 合材料的使用性能；而粉末冶金技术工艺复杂，产品成本高，而且含氧量偏高，影响材料的安 全使用.近年来出现的雾化喷射沉积成形技术为解决上述问题提供了一条新途径川 以时效硬化型合金为基体的金属基复合材料的时效行为对材料的热处理及最终使用性 能有明显影响，已有广泛的研究~刃，增强相的加入常常加速复合材料的时效过程，即发生所 谓的“加速时效”，研究复合材料时效行为的常用方法是显微硬度测量，但它存在如对高体积 分数的复合材料难以选择正确位置，测量部位次表面和增强相附近的硬度难以正确测量等缺 点，近年来，显微力学探针技术在薄膜和纳米材料的研究中获得了广泛应用.显微力学探针 技术的载荷精度达到0.3μN,位移精度达到0.16m,可以精确测量载荷和压人深度.由于通 过计算机连续记录载荷和压人深度，不需要可观测的压痕，使测量面积大幅度减小，可用于测 量体材料表面和薄膜的力学性能.位移一载荷曲线的分析不仅可以给出硬度数值，还可以给 出弹性性能和蠕变性能等，但是，该项技术用于金属基复合材料时效行为的研究尚未见文献 报道， 本文选择雾化喷射沉积成形18(250)马氏体时效钢+10%（体积分数）A1,O,颗粒增强金 属基复合材料，研究了其显微组织和性能，并采用显微力学探针技术研究了增强颗粒和基体 界面附近的力学性能， 1997-10-30收稿张济山男，41岁，教授，博导 *国家自然科学基金资助课题
第 2 0卷 第5期 1 9 8年 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s i yt o f 灰i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 2 0 N o . 5 ( k t 1 9 8 喷射沉积 1 8 iN (25 0 ) 马 氏体时效钢 一 (1A 2O 奔 复合材料的组织与性 能 张济 山 刘兴 江 崔华 段先进 陈 国 良 北京科技大学新金 属材 料国 家重点 实验室 、 材 料 科学 与工 程 学院 , 北京 10 0 0 83 摘要 采 用 雾化喷射沉积成形技术制备 了含 10 % ( 体积分数 ) IA 2 0 。 颗粒的 18 iN ( 2 5 0) 马 氏体时效 钢金属 基复合材料 . 沉积坯件具有 高致 密度 、 增强颗粒均匀分 布 、 无界 面反 应等组 织特征 . 同基体 合金相 比 , 复合材 料表现 出加速时效行 为 . 经热处理后 复 合材料 的 拉伸强 度 接近 基体材料 , 耐磨 性 明显提高 . 采用显微力 学探针技术研究 了复合材料 的 时效行为 , 发现在 1A 2 0 。 颗 粒附近 存在 陡 峭 的弹性模 量和 硬度分布 , 是热错配应力造成的位错密度分布引起的析 出相 分布变化 的结果 . 关键词 喷射沉积成形 ; 钢基 ; 复合材料 分类号 T 3G 4 9 金属 基 复合材料 的制 备技 术主要 包括液 态搅 拌 、 半 固 态铸造 、 压 力铸造 、 浸 渗 、 离 心铸造 、 粉末 冶 金 和 原位 反应等 方法 均存在基 体与增 强相 之 间的 界 面相容 性 问题 . 如 液相 制备 过程 , 由于 增 强相 与 液态基 体在高温 下长 时间接触 , 容 易发生 界 面反应 , 形 成脆性 反应 产物 , 降低 复 合材料 的使用性 能 ; 而 粉末 冶金 技术 工艺 复杂 , 产 品成 本高 , 而 且 含 氧量偏 高 , 影 响材料 的 安 全 使用 . 近 年来 出现 的雾 化喷射 沉积 成形技术 为解 决上 述 问题 提供 了 一条新 途径 [ ’ 」 . 以 时效硬 化 型合 金为 基 体的金 属基 复合 材料 的 时效 行 为对材 料 的热 处理 及 最终 使用 性 能有 明显 影 响 , 已 有广 泛 的研究 l“ 一 ’ ] . 增强 相 的加人 常常 加速 复合 材料 的 时效过 程 , 即发 生所 谓 的 “ 加 速 时效 ” . 研 究 复合 材料 时效 行 为 的常用方 法 是显 微 硬度 测量 . 但 它存 在 如对 高体 积 分 数 的复合材 料难 以 选 择正 确位 置 , 测量 部位 次表 面和增 强相 附近 的硬度 难 以 正确 测量等缺 点 . 近 年来 , 显 微 力学 探针 技术 在薄膜 8[] 和 纳米 材料 的研究 中获得 了广泛 应用 . 显 微力 学探 针 技 术 的载荷 精度 达 到 0 . 3 “ N , 位 移精度 达到 0 . 16 nl , 可 以 精 确测量 载荷和 压人 深度 . 由于 通 过计 算 机连 续记 录 载荷 和压人 深 度 , 不需 要可 观测 的压痕 , 使测 量面 积大 幅度减 小 , 可 用于 测 量体 材 料 表 面和 薄膜 的力 学性 能 . 位 移 一载荷 曲线 的分 析不 仅 可以 给 出硬 度数 值 , 还可 以 给 出弹 性性 能和 蠕 变性 能 等 . 但是 , 该 项技 术 用于金 属 基复合材料 时效 行为 的研 究 尚未见 文 献 报道 . 本文 选 择雾化 喷射 沉 积成形 18 凡 ( 2 5 0) 马 氏体时效钢 +l o % (体积 分数 ) 1A 2O 3 颗 粒增 强金 属基 复合 材 料 , 研 究 了其 显 微组 织 和性 能 , 并采 用显 微 力学 探针 技术 研 究 了增 强 颗粒 和 基体 界 面附近 的力 学性 能 . 19 9 7 一 10 一 3 0 收稿 张 济山 男 , 引 岁 , 教 授 , 博 导 . 国 家 自然科学基金资助 课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 05. 010
攀。集 天费乳助的界6 2.2室温黄俜性能 辑销制裂静騰虹t撰 暂度理5 锋美雀
第2 0 卷 第5 期 1 9 8 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s ity o f 灰i e n c e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 2 0 N o . 5 ( k t 1 9 8 喷射沉积 1 8Ni (25 0 ) 马 氏体时效钢 一 (A1 2O 奔 复合材料的组织与性 能 张济 山 刘兴 江 崔华 段先进 陈 国 良 北京科技大学新金 属材 料国 家重点 实验室 、 材 料 科学 与工 程 学院 , 北京 10 0 0 83 摘要 采 用 雾化喷射沉积成形技术制备 了含 10 % ( 体积分数 ) IA 2 0 。 颗粒的 18 iN ( 2 5 0) 马 氏体时效 钢金属 基复合材料 . 沉积坯件具有 高致 密度 、 增强颗粒均匀分 布 、 无界 面反 应等组 织特征 . 同基体 合金相 比 , 复合材 料表现 出加速时效行 为 . 经热处理后 复 合材料 的 拉伸强 度 接近 基体材料 , 耐磨 性 明显提高 . 采用显微力 学探针技术研究 了复合材料 的 时效行为 , 发现在 1A 2 0 。 颗 粒附近 存在 陡 峭 的弹性模 量和 硬度分布 , 是热错配应力造成的位错密度分布引起的析 出相 分布变化 的结果 . 关键词 喷射沉积成形 ; 钢基 ; 复合材料 分类号 T 3G 4 9 金属 基 复合材料 的制 备技 术主要 包括液 态搅 拌 、 半 固 态铸造 、 压 力铸造 、 浸 渗 、 离 心铸造 、 粉末 冶 金 和 原位 反应等 方法 均存在基 体与增 强相 之 间的 界 面相容 性 问题 . 如 液相 制备 过程 , 由于 增 强相 与 液态基 体在高温 下长 时间接触 , 容 易发生 界 面反应 , 形 成脆性 反应 产物 , 降低 复 合材料 的使用性 能 ; 而 粉末 冶金 技术 工艺 复杂 , 产 品成 本高 , 而 且 含 氧量偏 高 , 影 响材料 的 安 全 使用 . 近 年来 出现 的雾 化喷射 沉积 成形技术 为解 决上 述 问题 提供 了 一条新 途径 [ ’ 」 . 以 时效硬 化 型合 金为 基 体的金 属基 复合 材料 的 时效 行 为对材 料 的热 处理 及 最终 使用 性 能有 明显 影 响 , 已 有广 泛 的研究 l“ 一 ’ ] . 增强 相 的加人 常常 加速 复合 材料 的 时效过 程 , 即发 生所 谓 的 “ 加 速 时效 ” . 研 究 复合 材料 时效 行 为 的常用方 法 是显 微 硬度 测量 . 但 它存 在 如对 高体 积 分 数 的复合材 料难 以 选 择正 确位 置 , 测量 部位 次表 面和增 强相 附近 的硬度 难 以 正确 测量等缺 点 . 近 年来 , 显 微 力学 探针 技术 在薄膜 8[] 和 纳米 材料 的研究 中获得 了广泛 应用 . 显 微力 学探 针 技 术 的载荷 精度 达 到 0 . 3 “ N , 位 移精度 达到 0 . 16 nl , 可 以 精 确测量 载荷和 压人 深度 . 由于 通 过计 算 机连 续记 录 载荷 和压人 深 度 , 不需 要可 观测 的压痕 , 使测 量面 积大 幅度减 小 , 可 用于 测 量体 材 料 表 面和 薄膜 的力 学性 能 . 位 移 一载荷 曲线 的分 析不 仅 可以 给 出硬 度数 值 , 还可 以 给 出弹 性性 能和 蠕 变性 能 等 . 但是 , 该 项技 术 用于金 属 基复合材料 时效 行为 的研 究 尚未见 文 献 报道 . 本文 选 择雾化 喷射 沉 积成形 18 凡 ( 2 5 0) 马 氏体时效钢 +l o % (体积 分数 ) 1A 2O 3 颗 粒增 强金 属基 复合 材 料 , 研 究 了其 显 微组 织 和性 能 , 并采 用显 微 力学 探针 技术 研 究 了增 强 颗粒 和 基体 界 面附近 的力 学性 能 . 19 9 7 一 10 一 3 0 收稿 张 济山 男 , 引 岁 , 教 授 , 博 导 . 国 家 自然科学基金资助 课题
合堂磨辑煮航鞋 2.3时效行为 美美春 润电联春7修 壹4ǐ材0】天或量 新到行装0雙警事 合金提前. 折2.显微力学探分· 特寶0
第 卷 第 期 2 5 0 年 月 8 1 1 9 0 北 京 科 技 大 学 学 报 J O r u n a l U o f n i v e r s ty i o 灰 f i a c e e n n d T e e h n o l o g B y e j i i n g V o l . N 2 0 o . 5 t 8 1 9 ( k 喷射沉积 8 1 N 2 5 ( i 马 氏体时效钢 0 ) 一 1 A ( 2 奔 O 复合材料的组织与性 能 张济 山 刘兴 江 崔华 段先进 陈 国 良 北京科技大学新金 属材 料国 家重点 实验室 、 材 料 科学 与工 程 学院 , 北京 10 0 0 83 摘要 采 用 雾化喷射沉积成形技术制备 了含 10 % ( 体积分数 ) IA 2 0 。 颗粒的 18 iN ( 2 5 0) 马 氏体时效 钢金属 基复合材料 . 沉积坯件具有 高致 密度 、 增强颗粒均匀分 布 、 无界 面反 应等组 织特征 . 同基体 合金相 比 , 复合材 料表现 出加速时效行 为 . 经热处理后 复 合材料 的 拉伸强 度 接近 基体材料 , 耐磨 性 明显提高 . 采用显微力 学探针技术研究 了复合材料 的 时效行为 , 发现在 1A 2 0 。 颗 粒附近 存在 陡 峭 的弹性模 量和 硬度分布 , 是热错配应力造成的位错密度分布引起的析 出相 分布变化 的结果 . 关键词 喷射沉积成形 ; 钢基 ; 复合材料 分类号 T 3G 4 9 金属 基 复合材料 的制 备技 术主要 包括液 态搅 拌 、 半 固 态铸造 、 压 力铸造 、 浸 渗 、 离 心铸造 、 粉末 冶 金 和 原位 反应等 方法 均存在基 体与增 强相 之 间的 界 面相容 性 问题 . 如 液相 制备 过程 , 由于 增 强相 与 液态基 体在高温 下长 时间接触 , 容 易发生 界 面反应 , 形 成脆性 反应 产物 , 降低 复 合材料 的使用性 能 ; 而 粉末 冶金 技术 工艺 复杂 , 产 品成 本高 , 而 且 含 氧量偏 高 , 影 响材料 的 安 全 使用 . 近 年来 出现 的雾 化喷射 沉积 成形技术 为解 决上 述 问题 提供 了 一条新 途径 [ ’ 」 . 以 时效硬 化 型合 金为 基 体的金 属基 复合 材料 的 时效 行 为对材 料 的热 处理 及 最终 使用 性 能有 明显 影 响 , 已 有广 泛 的研究 l“ 一 ’ ] . 增强 相 的加人 常常 加速 复合 材料 的 时效过 程 , 即发 生所 谓 的 “ 加 速 时效 ” . 研 究 复合 材料 时效 行 为 的常用方 法 是显 微 硬度 测量 . 但 它存 在 如对 高体 积 分 数 的复合材 料难 以 选 择正 确位 置 , 测量 部位 次表 面和增 强相 附近 的硬度 难 以 正确 测量等缺 点 . 近 年来 , 显 微 力学 探针 技术 在薄膜 8[] 和 纳米 材料 的研究 中获得 了广泛 应用 . 显 微力 学探 针 技 术 的载荷 精度 达 到 0 . 3 “ N , 位 移精度 达到 0 . 16 nl , 可 以 精 确测量 载荷和 压人 深度 . 由于 通 过计 算 机连 续记 录 载荷 和压人 深 度 , 不需 要可 观测 的压痕 , 使测 量面 积大 幅度减 小 , 可 用于 测 量体 材 料 表 面和 薄膜 的力 学性 能 . 位 移 一载荷 曲线 的分 析不 仅 可以 给 出硬 度数 值 , 还可 以 给 出弹 性性 能和 蠕 变性 能 等 . 但是 , 该 项技 术 用于金 属 基复合材料 时效 行为 的研 究 尚未见 文 献 报道 . 本文 选 择雾化 喷射 沉 积成形 18 凡 ( 2 5 0) 马 氏体时效钢 +l o % (体积 分数 ) 1A 2O 3 颗 粒增 强金 属基 复合 材 料 , 研 究 了其 显 微组 织 和性 能 , 并采 用显 微 力学 探针 技术 研 究 了增 强 颗粒 和 基体 界 面附近 的力 学性 能 . 19 9 7 一 10 一 3 0 收稿 张 济山 男 , 引 岁 , 教 授 , 博 导 . 国 家 自然科学基金资助 课题
Vol.20 No.5 张济山等：喷射沉积18N(250)马氏体时效钢-(Al2O)P复合材料的组织与性能 ·449· 550 500 (a) 550 (b) (c) 500 500 450 450 450 400的° ▣ ◆ 4005 ■b 400。 350: 每 350 .■ 350 300 300* 8 300 250 250 2 68101214 0 2 68101214 02468101214 时效时间/h 图5复合材料和基体合金的时效硬化曲线，■基体合金，口复合材料 时效温度：(a)440℃；b)480℃；(c)520℃ AL,O,颗粒和基体界面距离的变化规律.可见，在A1,O,颗粒周围，弹性模量和硬度均出现明显 的梯度变化.经过一定距离后这些性能迅速衰减到常量.可见，在欠时效状态下，性能的衰减 最快，过时效时最慢.这一点将在下面进一步讨论， 9 3讨论 8 7 基体马氏体时效钢 晶粒细化是雾化喷射沉积成形材料的主 6 要特点之一山较冷的增强颗粒同金属熔滴混 ■ 4 合时将发生热量的转移，增加熔滴的冷却速 3 度，使晶粒进一步细化.此过程的焓变可表示 复合材料 为： 0 △H=AMf∫TcdT. 440 460 480 500520 其中：T为熔滴和颗粒达到平衡时的温度；T。 时效温度/℃ 为增强颗粒的起始温度；c为增强颗粒的比热 图6复合材料和基体马氏体时效钢达到 容；M为熔滴的质量；A为混合效率系数：∫为 峰时效的时间同时效温度的关系 增强颗粒的体积分数.可见，焓变正比于增强 颗粒的数量和熔滴的大小.增强颗粒的喷人可部分弥补不同尺寸熔滴冷却速度的不同，即较 350 10 1-峰时效 1-毕时效 300 2-欠时效 2-欠时效 250 3-过时效 3-过时效 6 200 150 (a) oo o (b) 2 b 100 0 102030405060 0102030405060 距离/μm 距离/μm 图7不同时效状态下ALO颗粒附近弹性模量(a)和硬度b)随离开界面距离的变化
V o l . 2 0 N 6 . 5 张济山 等 : 喷射沉积 18 瓦( 2 5 0) 马 氏体时效 钢代A1 2岛) P 复合材料的组织与性能 · 4 49 气气n 一 一 5 0 0 一 中.日丫阵卜卜1匕 ù亡、 n口nCCUU 0 J户 O 」只 4 气j ,J,1 . .ù 渭 } ’料 八 一 ! 5 0 沪 {卿气 久一 刀 } 4犯 广 几孟 { 4 0 0 } 介 、 , 1 ” 0 } 3 0 0 匡 犷 . O 二 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 1 2 1 4 0 2 . 心 4 6 8 1 0 12 14 时效时间 / h 图 5 复合材料和基体合金的时效硬化 曲线 , . 基体合金 , 口复合材料 时效温度 : ( a ) `叨 ℃ ; (b ) 4 5 0 ℃ ; ( c ) 5 2 0 ℃ 1A 2 q 颗粒 和基体 界面距离 的变化规律 . 可见 , 在 1A 2 0 3 颗 粒周 围 , 弹性模 量和 硬度均 出现 明显 的梯 度变 化 . 经过 一定距 离后这 些性 能迅速 衰减 到常 量 . 可见 , 在 欠 时效 状态下 , 性能 的衰减 最快 , 过时效 时最慢 . 这一点将 在下面进 一步讨论 . ,、 ,一l 3 讨论 晶粒 细化是 雾化 喷射沉积 成形 材料 的主 要特 点之 一 川 . 较冷的增强 颗粒 同金属 熔滴混 合 时 将 发 生热 量 的转移 , 增 加熔 滴 的 冷却速 度 , 使晶粒 进一 步细化 . 此过程 的烙 变可 表示 为 : △ H 一 uMA f f令户.T 其中 : T 为熔滴和 颗粒 达到 平衡 时 的温度 ; 0T 为增 强颗粒的起始 温度 ; cP 为增 强颗粒 的 比热 容 ; M d为熔滴的质量 ; A 为混合效率系数 ; f 为 增 强 颗粒的 体积 分数 . 可见 , 烩 变正 比于 增强 基体马 氏 体时效钢 伙弧、 湘 宜岔极奢月、 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 时效温度 / ℃ 图6 复合材料和基体马氏体 时效钢达到 峰时效的时 间同时效温度的关系 颗粒 的数 量和熔 滴的大小 . 增 强颗粒 的喷人 可 部 分弥 补 不 同尺 寸熔 滴冷 却速度 的不 同 , 即较 。侧豁彭嚼dg/ 峰时效 4 乙, ù、 ùnUI à 0 工工J O ,J 、ù`,21 艺白O曰 0 10 2 0 30 4 0 5 0 6 0 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 距离 /“ m 距 离/ 协m 图 7 不同时效状态下 A 气q 颗粒附近弹性模斌a) 和硬度 伪)随离开界面距 离的变化
V o l . 2 0 N 6 . 5 张济山 等 : 喷射沉积 18 瓦 ( 2 5 0) 马 氏体时效 钢代1A 2岛 ) P复合材料的组织与性能 · 4 49 气气n 一 一 5 0 0 一 中.日丫阵卜卜匕1 ù亡、 口nnCUC 0 户JO 」只4 气j ,J,1 . .ù 渭 } ’料 八 一 ! 5 0 沪 {卿气 久一 刀 } 4犯 广 几孟 { 4 0 0 } 介 、 , 1 ” 0 } 3 0 0 匡 犷 . O 二 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 1 2 1 4 0 2 . 心 4 6 8 1 0 12 14 时效时间 / h 图 5 复合材料和基体合金的时效硬化 曲线 , . 基体合金 , 口复合材料 时效温度 : ( a ) `叨 ℃ ; (b ) 4 5 0 ℃ ; ( c ) 5 2 0 ℃ 1A 2 q 颗粒 和基体 界面距离 的变化规律 . 可见 , 在 1A 2 0 3 颗 粒周 围 , 弹性模 量和 硬度均 出现 明显 的梯 度变 化 . 经过 一定距 离后这 些性 能迅速 衰减 到常 量 . 可见 , 在 欠 时效 状态下 , 性能 的衰减 最快 , 过时效 时最慢 . 这一点将 在下面进 一步讨论 . ,、 ,一l 3 讨论 晶粒 细化是 雾化 喷射沉积 成形 材料 的主 要特 点之 一 川 . 较冷的增强 颗粒 同金属 熔滴混 合 时 将 发 生热 量 的转移 , 增 加熔 滴 的 冷却速 度 , 使晶粒 进一 步细化 . 此过程 的烙 变可 表示 为 : △ H 一 uMA f f令户.T 其中 : T 为熔滴和 颗粒 达到 平衡 时 的温度 ; 0T 为增 强颗粒的起始 温度 ; cP 为增 强颗粒 的 比热 容 ; M d为熔滴的质量 ; A 为混合效率系数 ; f 为 增 强 颗粒的 体积 分数 . 可见 , 烩 变正 比于 增强 基体马 氏 体时效钢 伙弧、 湘 宜岔极奢月、 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 时效温度 / ℃ 图6 复合材料和基体马氏体 时效钢达到 峰时效的时 间同时效温度的关系 颗粒 的数 量和熔 滴的大小 . 增 强颗粒 的喷人 可 部 分弥 补 不 同尺 寸熔 滴冷 却速度 的不 同 , 即较 。侧豁彭嚼dg/ 峰时效 4 乙, ù、 ùnUI à 0 工工J O ,J 、ù`,21 艺白O曰 0 10 2 0 30 4 0 5 0 6 0 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 距离 /“ m 距 离/ 协m 图 7 不同时效状态下 A 气q 颗粒附近弹性模斌a) 和硬度 伪)随离开界面距 离的变化